当前位置:文档之家› [博士后学位论文]马莺 - 酶法合成海藻糖的研究

[博士后学位论文]马莺 - 酶法合成海藻糖的研究

中国农业大学

博士后学位论文

酶法合成海藻糖的研究

姓名:马莺

申请学位级别:博士后专业:食品科学与工程指导教师:李里特

20030301

瘫士后工搏援番耱臻套或海藻持蝣麟竞马鸯

I}{l文摘要

海藻耩避出甄个葡萄稚分,j|噩过Gu,1一I键缝合弼成的1l:还原性戳耱。肖tl:物卸l胞处丁口I饿、

予潍、悫浚、低滚冷凉、辐射、l锈渗透{}i及商毒试粼等静秘魏追玮壤时,照内海菠糖禽麓迅速』二';}.},

对多转又分子都具有镶护俸翊,扶积保护生命奉身。矫潍泣麓海凝糖弼群对生黝{誊iit/l:秘又努子有良好的苛特舜性的保护作Jtj,能箕在分子生物学、医学、食晶ji.业、化投描i:姚、农业等领域有r阔的应心前景。

以碳水化台物为底物,酶浊台成海藻糖是降低海藻糖的!|j产:成本的最有效方法,也是I-t前国际L的研究热点。本课题立足r以淀粉雨I麦芽糖为底物,※川微生物酶合成海藻糖,由淀粉和麦芽黼合成海藻糖掰采心静是2种不闲∞海藻耱合成酶。催他麦芽糖转他为海藻糠的黪祢为海藻耱台酶,

菠耨食酶缝匈:{;特嚣我的fll!ft,麦芽穰转纯为海藻藏,滚戆鲢一秘分f妇羲穰蒋转移瓣,nli:I骞安棼穰滟a.1,4糖{}键转纯为a—I,l糍蓊键。庄反麻过程中,不需要有磷酸盐共存。海藻耱奇酶沟疯穆专一性强,强作H』丁麦芽糠q-s茂海藻糖及使海藻耱生成发芽糖。淀粉转化为海藻糖魁淀粉经过商温液化后加入支链淀粉酶水解为炭芽寡糖,由麦芽寡糖基海藻糖台酶(maltooligosyltrehalosesynthase,MTSase)年¨麦芽寡糖基海藻糖水解酶(maltooligosyltreh8losetrehalohydrolase,MTHase)酶协同作JlJ可从发岿’寒糖生成海藻糖;其殷虑机制分为两步:M’rSase催化麦芽寡糖避原端的葡糖基tilJl<1.t邻瓣稳藏基瓣的tt.1,4萄旃萤键转{£戒为n一1,l{|j}耱髂缝,驮麦芽寡糖’}戚麦芽褰糖基海藻辘,楚一静分子内转耱萋酶。MYtlase专…窳麓麦芽寡蘩纂海藻穰瓣麦芽寡蘩萋霹海藻蒺褥静fl。1,4戆f{^键。褥到海藻糖和眈相赢底物少两个葡萄糖单位的麦芽寡精。两种酶循环佟聪下残物,每次扶麦芽寡糖生成海藻糖和少两个葡萄糖荦能的麦芽寡糖。

本研究经过人域实验筛选¨J2株分别产海藻糖合酶年¨MTSase、MTHase的菌株,升对其酶学特性和合成方法进行了研究。

l透瞧纯海藻骧会酶台或海藻糠的礴突

(1)首先比较了八株能产生海藻糖的微生物的产海藻糖台酶的能力,确定瑟奥假单胞杆萄H76为产酶黹株,弗对其培养特性进行了研究。恶臭假单胞杆莳的摄佳培养基配方为霾芽糖3%,葡萄耥3%,蚩IG臁2%.酵母粉o.7%,MgS04.71t20o.2%。熟展健发酵I.艺条仆为:发酵温度306C.技酵pH7.2,500ml三f『{瓶装赦蜒100ml,发酵终点52hrs。

(2)磺究毙较了多耱蠢罄l溶翅发表蕊溪瞧蠢l渗透聪奥缘蕈ltfg{:t:蘸细您的方法,确定2%G‘笨t9.s镕OP.100褒35"C渗透蹋藏0,5hr掰褥鹣透性耽纲魏海藻耱食簿嚣力最赢,这藏纲穗瓣117。8嵇。薅遴性他纲胞酶低温速冻,真空冷凉干燥而,细胞酶的活力X有所提高(约2.6倍),且易’r保存。

(3)对这种透性化细胞海藻糖含酶的性质系统研究的结果为:①在底物嶷芽糖浓度为10%,艇应液pH7.0,反麻时问为10hrs条什下,细胞酶的最适厦麻温度为35。C,在30~40。C范丽内稳定;②该透性化细胞海藻糖台酶的最适p}{在7.O~7.8之间.在pH6.6~7.8范围内最稳定;③M92+及K+对该细胞酶l羁明曩激活馋矮,Na+鞘有激活佟j艇,ca2+,B矿+霹渡酶稿有雄制作羽,褥Zn”,Mn“及cu”潮胃强烈穗麴翻酶活力;④逢缝捷缳蕤海藻耱台酶戆疯秘符舞洼掇强,器鼗瓣麦势蕤转倪为海藻耱,同时其有微弱豹求解诈蹋,生成少最豹蔼萄耱,两对箕它糖类均不起伟瑚:⑤潺性化细胞海藻糖合酶在冷冻溅玲藏条什F保存1个月,酶活力稍有卜降,fH谯室流r保存酶活力会有较人的损火。

(4)以麦芽糖为底物合成海藻糖的E:艺研究,首先研究了麦芽糖浓度、艇麻时间与反应温度铸I疆素列海藻糖产率的影响。结果表明:麦芽糖浓度刘海藻穗广:率影响较小;随反廊时I'iil的延匠,海藻糖的产率逐溉增加;反应时间邈殴,海藻糖鹈产率会闵海藻糖台酶的弱承解作用蔼F降。反应澡皮媾

博士后工件报告醇珐合成洚藻糖的研丸马鸯

高,反应初始速度越快,而末}|_lj速度!I!I|越慢。经止交试验改计得到以友芽糖溶液为底物生产:海藻糖的I:艺条什为:反应漏度30。C,反应plt70,反应时问24hrs,透性化细胞海藻糖合酶的川阜:为375U/g麦芽排f。

2麦芽寡糖基海藻糖合酶(MTSase)和麦芽寡糖基海藻糖水解酶(M’Hlase)合成海藻糖的研究

(】)首先通过对选定的实验菌株进行紫外线诱变选育,采JfJ将黼株随接拨种种:川体培养基上,

立刻进行紫外线照射的方法,筛选出性能优良菌株SP,其中产性能比Ⅲ发曲株提高了7倍,而l;_L能够保持一定的稳定性。通过对该菌株进行的形态特征鉴定、化学分类鉴定和生理生化特征鉴定,表明该凶为藤黄灰链霉菌,简称ST412。

(2)剥凶株s’F412培养特性的埘究结果表州:租哺株Sq’412的,“酶过科中,麦芽糖为墩仕碳源;蛋川l¥;fH牛肉青为最佳氮源;K2IIP04和MgS04*71t20为最仕无机盐:通过¨!交试验确定的最佳诱导培养基组合配力为麦芽糖I%、甾门胯o.5%、牛肉商o.2%、K2III’040.2%、MgS04"711200.05%。产二酶的虽佳培养条件为:温度为31℃,pH值为7.0,该菌株在供氧充分条件下酶活力较高,所以选择500ml三角瓶中装100ml液体培养基为最佳装液昂,培养终点为培养衍144hrs。

(3)对M.ISase平¨MTHase系统研究表明:在淀粉液化液浓度为10%、液化30minf;|{J条什F,凶株sT412产生的M,rSase和M11Hase最适作_L}j温度为40℃,耐热性较差;最适作川tplt值为7.0;

Ca:+平¨Mn”刑酶略有激活作川,B一+和Zn“抑制酶7舌I删湿,最严重抑制酶酒’肚的是Cu“、EDIA、

Fe”、Fe”.分别抑制了酶括性的96%、69%、77%、和79%。通过对MTSase和MTHase底物特异性的研究,排除了以葡萄糖和麦芽糖为底物的可能性,确定在MTSase和MTHase的作川r,以淀粉为底物将低聚糖转变为海藻精的合成过抖。粗酶液4。C时的保存稳定性很鼙,不适宵稿:44C长期9E存。

(4)采刚平板式超滤膜对酶液进行浓缩,选川截留分子量1万的再生纤维索超滤膜,温度控制温度在30"C,压力控制在o.04Mpa以F对酶进行浓缩,酶液浓缩收率达到60%以上。出丁超滤烂一种物理变化的操作,酶的活性不会被破坏,不仅在经济上可行,而且可达到部分纯化雨|脱盐的E{的。

(5)以淀粉为底物合成海藻糖的合成jI:艺研究,首先采用单因素确定淀粉液化液浓度为10%、液化30rain,然If亓对其它五个影响闻素采川Ji"冈素旧水甲11:交试验设计进行I.艺优化。确定的展佳反应一1:艺为:反应温度40"C,反麻时间36hrs,磷酸盐缓冲溶液浓度o.1mol/L、反戍pH值7.0和酶)J【I八昔27U/g淀粉。在此最优1I+艺条件F,海藻糖的得率为28.14%。

关键词:恶臭假单胞:f|=曲,藤黄灰链霉凶ST412,海藻糖合酶、麦芽寡糖基海藻糖台酶(M'11Sase)

麦芽寡糖基海藻糖水解酶(M7rHase),透性化细胞,诱变、淀粉、麦芽糖、海藻糖、酶法合成

Abstrac!

Trehaloseisalion—reducingdisaccharideby“a。1—1gkmosidlclinkagethatbindsthe1woglucosemolecules.Trehaloseinsideorganismcellwillrisepromptlytoprotectitselfwhenitisatdifferent

constrainedconditionsashunger,dry,hightemperature,freezing,radiation,highpermeationpressureandpoisonousreagent.Thustrehaloseispaidcloseattention.Trehaloseexteriororganismcanalsoactonorganismandbioiclgicmoleculetoprotectthemdistinctively.Thereforetrehaloseiswidelyusedinbiology,

phamaceuticals,foodstuff,cosmeticandargriculture.Atpresent,itisprimarilyusedtosynthesizetrehalose

wifichtransformamylosewithlowcostofmanufactureandhighoverallrecoveryrate.

7Fhemosteffectivemethodtoproducetrehaloseistosynthesizetrehalosebyenzymes,usingcarbohydratesassubstrate.1t{soneofthefocOSofthestudyandexploitationoftrehalose。1’hisstudymainlydiscussedthesynthesisoftrehalosewithstarchormaltosebydifferentmicrobialenzymesystems.1’heoilzymethatcanproducetrehalosefrommaltoseistrehalosesynthase.Trehalosesynthaseisanewintramolecularglucosyltransferase.Itcatalyzestheconversionofn一1,4-glucosidiclinkageofmaltoseintotheu以.1一giucosidiclinkagewithoutrequiringphosphate。BecauseofthesubstratespeciticRy,trehalosesynthaseonlycatalyzestheconversionofmaltoseintotrehaloseandtrehaloseintomaltose.Toconvertstarchintotrehalose,firstly,starchshouldbeliquefiedunderhightemperature,andbe

beconve!‘tedintohydrotyzedintomaltooligosaccharidesbyamytopectase.’thenmaltooligosacch蠢ridescan

trehalosebythecooperationofmaltooligosyltrehalosesynthase(MTSase)andmaltooligosyltrehalosetrehalohydrolase(MTHase)+Thereactionmechanismoftileenzymesystemhastwosteps,Inthefirststep,MTSasecatalyzesconversionoftheⅡ一1,4-glucosidiclinkagebetweenthereducing-endglucoseandthenextoneofmaltooligosaceharidesintod一1。I—gtucosidiclinkagebyintramolectdartransglycosylation,to

thehydrolysisoftileproduceglycosyltrehalosefrommaltooligosaccharides,MTtlasecatalyzes

*1,4一glucosidiclinkagebetweenthemaltootigosylandtrehalosylresiduesofd’maltooligosyltrehalose,to

liberatetrehalose.Theseenzymesactonmaltooligosaccharidescircularly,toproducetrehaloseandthemaltooligosaccharideshaving2lessglucoseresiduesthanthecorrespondingsubstrates.Thissystemischaracterizedbyphosphate?independentsynthesisoftrehalose.

Inthisresearch,wecollected2strains,oneofwhicilcanproducestrahalosesynthase,andanotherof

whichcanproducesMTSaseandMWlase.Wealsoslndiedthepropertiesoftheseeuzyulesandthesynthesisoftrehaloserespectively、

StudiesonFormationof’l'rehaloseby’I'rehaloseSynthaseinl'ermeabilizedCells

(1)+l'hebeststrainwhichproducingtrehalosesynthase,PseudomonasputidaH76,wasselectedfi'om

fermentati豳mediumandconditionwereinvestigated,TheformulaofculturemediumwaseightstrainsIts

02%.TheoptimizedaS:maltose3%.glucose3%,peptone2%,yeastextractionO.7%,MgS04.71120

optimumcultureconditionswere:tenperature30“C,pH7.2,capacity100ralper500mltriangularbottleand

time52hrs.

(2)ThepenneabitizationofPseudomonasputidacellsinrelation{。trehalosesynthaseactivitywasstudiedusingdifferentorganicsolventsanddetergents.Theperformanceofthesesolventswasdependentontheincubationtemperature,time,andtheconcentrationofcells。MaximumenzymeactivitYwasachievedwith2%tolueneandO.5%OP.100,at35℃,05hr.Theexpressionofintracellulartrehalose

untreatedcells.After静eeze—drying,itsactivitysynthaseactivitywasincreasedl17,8一foldwithrespectto

increased26一foIdmore

(3)Thepropertiesoftrehalosesynthaseintheperlneabilizedcellswereinvestigatedsystematically.

Tbeenzynleexhibitedanoptinmmtemperatureof35℃.andauoptimumplIof7.0-7.8.’I'heenzymewasstableat30~40。C,pit6.6Ⅶ78+FheactivityoftrehakmesynthasewasincreasedbyadditionofMg….K+andNa+,butwasinhibitedbyZn2。,Mn2+,Cu21,Ca”,Ba”.’Fheenzymecatalyzedtheconversionofmaltoseintotrehalosebyintramolecularn’ansglucosylation,anditcanslightlyhydl-olyzemaltoseintoglucose,butitwasinactiveonothersaccharieds.Stabilityoftheenzymesystetnremainedpracticallyunalteredduringrefrigerationforupto1month

(4)Thereactionconditionforproductionoftrehalosebytrebalosesynthaseweredetailedstudied.

7rbeeffectsofthemaltoseconcentrations,incubationtimeandtemperaturewerestudiedabovea11.The

maltoseconcentrationhaslittleinfluenceontheyield.Atthebeginningofreaction,thelongerthetime,and

thehigherthetemperature,the1130retrehalose.Theoptiutnconditionsofreactionweregainedwithorthogonalexperimentdesign:temperatme30”C,pit7.(),time24hrs,theanloontofenzynle

375U/gmaltose.

2StudiesontheSynthesisof’l'rebalosefromCornAmylosebymaltooligosyltrehalosesynthaseand

malt001igosyllrehalosetrehalohydrolase

(1)ThestartstrainwastreatedwithUV-rayin"adiationtoobtainastrainofST412withhighyield

trelmlose.Strainwasinoculateddirectlyonsolidmediumandirradiatedimmediatelyunderultraviolet

theoriginalstrainwithstability.lampProducingcapacityitsofST412wasincreased7timeshigherthan

Modalitycharacter,chemicalclassificationy,physiologyandbiochemistrycharacteristicofST412一strainwereidentified.TheresultshowedthatthisstrainisStreptomeycesluteogriseus.

(2)TheculturedpropertierofST412-strainwerediscussed.Theresultsshowedthat:④Maltosewastheoptimumcarbonsource,peptoneandbeefextractionweretheoptimumnitrogensource,K2HP04andMgS04?7H20weretheoptimuminorganic.②rrheformtflaofculturemediumthroughorthogonalexperimentdesignwasoptimizedas:maltosel%.peptone05%.beefextraction0.2%,K2HI’040.2%andMgSOd?7H200.05%.③Theoptimumfermtentionconditionswere:tempreture3I℃,pH7.0,capacity100ml

time144hours.

per500mltriangularbottle,fermention

(3)Thepropertiesoftrehalosecreatasewereconsiderdsystematically.Theresultsindicatedthat:Iftheconcentrationofliquefiedsolutionofamyloseandliquefiedtimewere10%and30minutesrelatively.①cheenzymeexhibitedalloptimumlelnpretureof40。CaudqlteoptimumplIvalueof7,0.㈤theenzylneactivitywasincreasedbvadditionofCa”andMn”,butwasinhibited96%,69%,77%and79%enzymeactivitybyCu”,EDTA,Fe”andFe”,relatively.③Substratespecifixityoftrehalosecreatasehadbeenverifiedbyexperiment.wlficheliminatedpossibilityofglucoseandmaltoseasitssubstrate.④theconservingstabilityofcrudeenzymesolutionwasinferior.Itisunsuitbletoconserveenzymesolutionforlongtimeat4。C.

(4)Itwasinvestigatedofthepossibilityofusingultrafiltrationtechniqueintheconcentrationprocessoftrehafose.creatase.Theregeneraledcelluloseultrafillratfonmembraneofonetenthousanddaltonwereselectedtoconcentratetrebalose.creataseliquor.Thetimeofconcentration,yieldofconcentrationandratioofrejectionweredetelminedAndobservetheflux.too.Theexperimentalresultsindicatedthatmolecularweight10,000disfeasibleundertheoptimumconditions(pressureof0.04Mpa,tempretureof30~40。C),furthermoreyieldofconcentrationcouldsurpass60%.Itwasfoundthatusingultrafiltrationnotonlywouldprotecttheactivitiesofenzyme.butalsocouldremovelowmolecularimpuretiespartlyeffectidvely.

博士后工作报告酶法合成海藻糖的研究马蕾

。2220。。222。。。亳2====2=====================:=::==:::::====:=:::=::

(5)Studiesonreactionconditionforproductionoftrehaloseweremade

systematicallyAbovea11.itwasdeterminedthatconcentrationofliquefiedsolutionofamyloseandliquefiedtimewere1O%and30minutesrelativelybysinglefactoranalyse.ItWaSoptimizedbyoahogonalexperimentdesignforanotherfiveinfluentfactorssuchastempreture,time,concentrationofbufferand口Handthemounlofenzyme.Theexpelimentalresultsindicatedlhattheoptiumconditionsweretempreture40℃.time36bours,concentrationofbufferO.1mol/L,pH7.0andtilemountofenzyme27U/gamylosefollowedwith2814%trehalose.

KeyWords:synthase,MTSase,MqlHase,S'11412-strain,Pseudolnonasputida,amylose,maltose,trebalose,

trelmlosepermeabilizedcell,mulageaesis,synlhesisby£'llZyllle

兰圭:皇耋竺兰兰:===竺兰竺垒兰!兰竺竺兰:=::=兰!

筇~一章前言

海藻糖(‘Frehalose)烛由两个葡萄糖分子通过aa,1—1键结合而成的非还原性舣糖。海藻糖J’泛存在y-,f氐;}9:植物、藻类、细菌、真幽、酵何、昆虫及无脊椎动物中,既是一?种贮藏性糖类,X烛麻激代谢的重要J“:物。

海藻糖不仅卅以作为碳源利能源,而H还具有保存生物活力的特殊功能,它具有保护生物细胞年¨生物活性物质在脱水、干旱、高温、冷冻、高渗透胝及有毒试荆等不良环境条件r活性免遭破坏的功能。由丁‘海藻糖具有J1泛而独特的生物学功能,』、泛受到各个国家的密切关注.以致引发了世界性的海i!il糖研究和开发热潮。

1海藻糖的理化特性

1.I海藻糖的结构及分布

篙彩飞;

海藻糖(Trehalose)是由两个葡萄糖分子通过u“,1—1键耋占台而成的1F还原性舣糖。它构对称,无小缩醛羟基,冈此既无还原-肚,也无变旋光性。海藻糖的分子构象式与Haworth式如图I-1所示忆

淅澡鞯的分r怕象-℃

菇CHt≥OH。磷H

海藻糖分丁的tlaworth式

围1.I海藻糖的特构

Fig1-1StructureofTrehalose

海藻糖的发现可以追溯到上一个1什纪。1832年.Wiggers苘先从黑麦的麦角闰中提取了这种烈糖。1858年,贝尔绥洛斯特叉从茎虫的茧蜜中分离山该糖,被命名为茧蜜糖。随厉发现它在自然界的动植物和微生物中广泛存n?,例如,磬菲等真汹类,霉悄、酵母锝微生物,海藻类,地农,虾类及很多昆虫,包括卵、蛹、幼虫中都禽有该糖…。但是直到进入20世纪90年代,随着其独特的生物学性质及功能的发现,海藻糖才逐渐成为国际上的一人研究热点。冈海藻糖能从海藻中获得,我国一般就将其称为海藻糖了。

1.2海藻糖的物理化学性质

海藻精有uu、uB、pB¨二种光学并牛勾忭,具一{faa异构体足[J然界叫lJ’泛分撕的种异{={!J体,其他两种异构体不能由生物合成,但已经通过化学方法合成出米。海藻糖的摹本物理化学性质[2I见表1.1。

表卜1海藻糖的理化性质

Tablel—1T11ephysicalandchemicaIpropertyoftreha【OSe

溶解性易溶r水、热乙醇,不溶_r乙醚

970。C(一水结品),熔解热57.8KJ/tool,130。C火水熔点

2IO.5℃(无水结晶),熔解热534KJ/mot

旋光度178(20。CI%水溶液)

尤吸沮性(R1190%以I、一:水结“)

吸湿性

有吸湿性(RH30%以上,无水结品)

甜度蔗糖的45%,无斤昧,嗣而爽口

消化性小肠内消化吸收

pFl稳定性>99%(p113.5一10,100。C,24h)

水溶液热稳定性>99%(120℃.90min)

氨基酸水溶液热稳定性无褐变(100"(2,90min)

蛋白质水溶液热稳定性无褐变(100。C,90rain)

水溶液的保存性无褐变(37"C.12个月)

酶的分解性海藻糖酶对海藻糖的水解有专性

.2.1稳定性

海藻糖同蔗糖是同分异构体,义具有类似的结构,经常在生物中同时存在虽然作为甜味刺1i能和处丁主导地位的蔗糖相比,但在其它方面,海藻赫义具有蔗糖升;可比拟的功能。海藻糖是无毒、产热的烈糖”1,但它对热对酸非常稳定,是大然烈糖中最稳定的糖质。由1:不具有还原性即使与氨拭酸、蛋向质等混合力¨热也不会发生美拉德反麻。具体表现为:①pH稳定性.枉ptt3.5~10、100℃条什Ii保持24h.有99%的海藻糖残存(见蚓l。2):②水溶液热稳定性:;f__|:120"Cli保持90rain,海藻糖不发生褐变:③食氢基酸水溶液的热稳定性:仡含氰麟酸的沸水中保持90rain,海藻帮不发生褐变;④含蛋白质水溶液的热稳定性:存含蛋白质的沸水中保持90min.海藻1j:ff不发!㈦目变;⑤水溶液的长期保存稳定性:海藻糖水溶液在37℃F保存12个月,海藻糖不分解、不褐变IIJ。

100

80

邑150

暴40

20

2.2溶解性、甜度及渗透压

—◆一海藻舶

—I}_m:辅

。淼

融%

m…

.篙

Ⅲ瑟

1.三

图…

海藻糖易溶r水、热乙醇、小溶J。乙醚,海藻糖的溶解艘为蔗柑的2/3,海凛糖n:水-t?n0溶解度随温度变化较明显(见㈦I.3),当温度低]一10。CN'J,溶解皮远小_r蔗糖,而肖温度高】:80。CIH,

则人1‘蔗‰,rif”。

10

2(130d050

6U708090

..

温度/。c

围1-3海藻糖的;睿解度

Fig.1—3TheSoIubil【tY

IIf1rehaloso

—●卜海凛籼

—●r蔗糖

海藻糖甜度为砂糖的45%,食JIj后口r}-小留后昧,味质爽口。其渗透压与砂糖、麦芽糖等裂糖

相同。

1.2.3吸湿性

含2分f水的结品海藻糖,没有吸湿性;佣无水结品有很强的l嫂湿性。海藻精的无水结品H有

很强的吸湿性,是优异的灭然脱水剂。在相对湿度30%以上时能转化成含两分子水的结晶,而含两分子水的海藻糖结晶在相对湿度90%以F时不具有吸湿性(见图I.4)141。天然的蔗糖只有死水结品

一利t形态,它没有吸取其它物质水分子的特性;乳糖和麦芽精与海藻糖一样具有禽水结晶羽I无水结

r帚两种结品态,它们的无水结晶粉末也有吸水性,但它们吸取的水景只有海藻糖的1/2。而.H,这两种糖具有还原性末端.对oj之配合的物质的稳定性产,卜很人的损害,它,ffT.'lcft&Jtj做脱水稳定剂。

305060708{l9(】l{)O

丰¨刈湿J壁/%

图卜4海藻糖的吸湿性

Fig.卜4

HygroscopicProperty

of

TrehaI

OSe

—●一^j水,_li品

--II---卉水结晶

1.2.4海藻糖的防腐性质

海藻糖最奇特的功能特性是其具有防腐性。海藻糖剥由环境变化形成的戍激状态只有商抗性。讯:多含有海藻糖的动植物完全干燥火水后仍维持活性,一丑遇水就立刻复活。这一现象前先从昆虫

中发现,海藻糖不仅被昆虫用作能源,而且对昆虫的耐寒性、抗冻结性发挢重要作州”】。其后发现

沙漠中-;91'隐生生物为膜叶卷柏.以抗早能力而闻名。这种简单的类羊齿梢物能够柏:沙漠中干燥和

雨水化的过}。圳,保存活性,其脂肪、蛋Pl质、碳水化台物及绸成细胞绸纵的核酸不被损坏,在干燥

状态r看上去如酬枯死,

u.吸水,数小I…~植株枯黄卷缩的部分iJ以迅速张”,升重新变为绿色

进行光合作刚。后来研究表明外源性的海藻糖对生物体Ill'J-物人分子也有良好的二I}。特异性保护作川

j0

00

00

卜_6543

208

P函喇督

ttli防腐f1:JIJn其作川机制口前有:种假酏。

‘种称为“水替代”假说‘“”,它认为当生物人分子火太

维持其结构羽f功能特性的结构水麒叫,海藻糖能竹,牛物分J’的火水部似以氯键形式腹接,形成一层

保护膜以代替火玄的结构水膜。另一利,假说为“玻璃态”假说‘”,这一假说认为通过海藻糖玻璃化

转变的趋势,导致无定形婆续相的形成,在结构七与玻璃状的冰相似,在这种结构r11分:f运动和分于变性反应一m常微弱,英国剑桥的Quadrant研究基金会的研究室主任Joapkapinga协l:称这种状态

为琥珀态。但目前这二种假说还不能完全解释某些现象,如海藻糖与葡萄糖对限制内切酶稳定性影

响的显著差别是与“水替代”假说不相符的pl。随着分f生物学的发展,对海藻糖的防腐特性做了

进一步的研究。

1.2.4海藻糖的其他性质

海藻糖能防It淀粉老化(见图1.5)和蛋向质变性(见图1-6)。海藻糖能在小肠内被消化吸收,可以做为营养源。但若一次性大量摄入海藻糖,对体内缺乏海藻糖分解酶的人来说则会引起海藻糖不耐症。不过对海藻糖显示山不耐症的人很少。

糌皋郴

:|}

海藻糖麦芽糖

蔚精

{{fi耱

窄白

图卜5各种糖防止淀粉老化效果比较

F【g1—5

Theeffect

of

Sugarsupon

the

retrogradatiOll

of

Amylon

2海藻糖的生物学性质

海藻糖麦芽精蔗精

饴精

守妇

图卜6各种糖防止蛋白变性效果比较

Fig.1—6The

Effect

of

Suga

rs

upon

theMudifiedProtein

海藻糖是对环境变化形成的麻激(stress)状态(或称之为紧张状态)具有高抗性的物质。这种抵抗环境冷暖、于湿等变化的奇特作川是从昆虫中发现的,历在酵母菌、生息丁沙漠地带的…种缓步类昆虫和一种卷枇植物及蛙类生物等中,都发现了此类现象。这些现象被认为是海藻糖在冻结、干燥、高渗透压等这类严酷的环境r,对生物体膜、膜蛋向、DNA等发挥着保护功效之故。

人量研究表明,某些物种对外界恶劣环境,如脱水、干早、高温、冷冻、高渗透压及有毒试剂

等,所表现山来的抗逆耐受力和它们体tq存在的海藻糖有直接关系。对这一现象的深层原因所进行

的研究显示,在上述极端严酷的条件F,海藻糖可以刑生物膜、蛋白质和核酸等生物人分子发挥保护作朋,从而使富含这种奇妙化合物的生命体对外界恶劣环境表现出独特的生物学特性””1ll

2.1海藻糖能提高植物的抗寒、抗盐能力

经海藻糖处理的绿豆幼苗NN上NM92+、K+-ATPase的活性显著提高㈣。川0.1%的海藻糖溶液浸水稻种,经2*C}N6℃低温处理后,水稻幼苗细胞电解质渗透率显著降低,而淀粉酶活性及幼凿可溶性糖含量则提高,对寒害的修复能力也提高。而且处理温度愈低,海藻糖的相对效应就愈显著。用海藻糖预处理的小麦幼苗在NaCI溶液中生长,其细胞电解质渗透率和游离脯氨酸的含量均显著降低,而叶绿素的含茸、根系活力、千物质的积累莆f生K述度!JlIJ提高1”1。这是因为海藻糖能在作物幼前遭受低温、

网闷闲闺

图图I

。∞_j6㈨秘。。沥搦圉

囫囫

博士后工昨报告酶法合成海藻糖的研究马莺盐害而脱水时,维持了细胞膜结构的稳定性,从1『iI提高r11:物幼曲的抗逆能力f”。“。

2.2海藻糖能稳定脂质体

脂质体是1种人I‘制造的细胞样结构,rllJt日敝展包m1个含水小审.水溶件物质司被封ibi】件脂质体内部。因此脂质体可咀作为水溶性物质的载体。但脂质体不易|支期贮存,且在冷冻干燥时易发生融合并导致脂质体内容物的泄漏。实验证明,当有足够数量的海藻糖存在时,包载抗肿瘤药物阿糖胞营及阿霉素的脂质体经真空干燥再水化_I亓,其原内容物保存率可迭80%以上,远远人丁无海藻糖处理时的保存率”…。海藻糖可使爿匕质体处于一种干燥状态,而不损坏其结构的完整性,有利丁脂质体的贮存、包装驯运输,有利1:脂质体在制药¨k中的廊jH。

2.3海藻糖抗冷冻保护作用

{iJf究…1发现添加外源海藻糖明显地提高了酵母细胞旧存活率。细胞经预先短时温和热处理或预先短时低温冷处理,可以增加酵母细胞在冷冻和冷冻干燥处理H_J,对低温的耐受能力,短时间的温和热处理可增加细胞内海藻糖的积累,然而在短时间的低温冷处理时,细胞内海藻糖含最未发生改变。在冷、热处理时都观察到这种细胞对抵抗逆境耐受能力的提高,并认为其主要原闪是延缓了自}I胞流动性。预先短时间的温和热处理使细胞存活率得以提高的具有说服力的解释是,在此条什F细胞l』J有较高的海藻糖积累;柏:预先短ll;tfFiJ的低温冷处邢时,细胞IJ、J海藻糖没彳丁改变,细胞山海藻糖水平似乎并不是促使酵母细胞对冷冻忍受能力获得提高的唯一因素,尽管预先短时间的低温冷处理对细胞抵抗冷冻的保护作j|j韵事实还没有完全被理解,它仍然被认为是保护细胞抵抗冷冻的一种有前途的方法。

2.4海藻糖对生物抗脱水保护作用

海藻糖的积累是与隐生生物及其它生物干燥忍耐力相关的。过去十几年来,对糖类在膜、蛋向质雨f细胞脱水中的稳定作用进行了7“泛的研究。近几年来的结构化学研究表明,由于几乎所有物质都能够转变成无定形态的普遍性,以及无定形I舂1体的种种应用,使人们对非品态(或无定形态)1州体的兴趣有了极大的增加ili9I。物料由丁外界作用,如干燥、冷冻等,减少了体系中的自由水,就有可能使物料成分由胶质态(品态)转变成玻璃态(非品态或无定形态),即玻璃态转变,这一转变点的温度被称为玻璃态转变温度(glass-transition.temperature,简称Tg)。海藻糖的高效力生物保护作川f与它的玻璃态形成有关,糖类在生化保护作川中效力的顺序由强到弱依次为海藻糖、麦芽糖、蔗糖、葡萄糖,这恰蚶与它们玻璃态转变温度(Tg)由高到低的顺序一致,海藻糖具有高Tg值常常被认为是它在生物保护作用中比其它糖类具有优越性的原因。研究发现样品贮存期间,海藻糖能在高下№温度提供较好的蛋白质保护作用,在相同的TgF,对6.磷酸葡萄糖脱氢酶的保护作用,海藻糖明显优于蔗糖。经分析认为,上述现象可能与有海藻糖存在的样晶,在高于Tg时,具有较低的门南体积和较低的白由体积膨胀系数相芙。在贮存样品中,有蔗糖(无海藻糖)的样品迅速发生相分离,并完全失去它们的非品形状态(玻璃状态),丽有海藻精存在的样品相分离明显地延迟,并且只有一小部分(小1:4%)结晶,其余部分仍然在未变化的Tg温度下保持非结晶状态。以上结果说明了有海藻糖的样品具有优越的稳定性与海藻耱玻璃态的一些性质相关,包括较小的自由体积、受限制的分子流动性和在贮存中抵抗相分离和结晶的能力“““。

2.5海藻糖抗高渗保护作用

博士后工作报告酶珐合成海藻糖曲研竞马鸯

研究发现伴随盐逆境烈歧藻属凶种细胞内海藻糖平l|蔗糖浓度的增加,当机体再恢复止常生艮条什(即解除盐逆境的fi+Jlj),细胞内这些海藻糖年¨蔗糖浓度下降。蔗糖和海藻糖被认为具有共存的溶解物(co…patibIesolutes)的作川性质,它们比其他糖的优越之处在丁它们是非还原性糖,不会与蛋lfl质中氩基酸发生美拉德反应¨…。在稳定蛋白质作川中,海藻糖的表现优丁_.蔗糖,这可以部分地解释为什么海藻糖在上述形成的海藻糖和蔗糖共存的溶解物中『’主导作用。海藻糖另一个滞在的优势是它同蔗糖一样,不是关键的中问代谢物,比其它非还原双糖包括蔗糖更稳定。微生物在盐逆境戍激状态涉及到低分子跫共存溶解物的产生和一系列应激蛋白质的产生,海藻糖雨1蔗糖的合成代表烈歧藻菌盐应激状态F的一种保护性作用。对蛋白质的合成或嘲‘1砷l制仍需进一步研究12”。

酿酒酵母在高渗条什F存活与体内的海藻糖相关,这表明了海藻糖可作为渗透{;;}三保护剂‘2”。史戈峰等”q研究发现NO.25酿酒醉母对高糖浓度贝_仃较高的抵抗能力,其原冈是在高糖浓度F细胞俞成较多的海藻精,以保护自己,维持较高的存活率,酵母细胞内海藻糖含最的高低可作为选育耐高浓度羽I耐高温酒精酵母的琥要指标之一。n1丁环境条什的涨落变化,门然界中微生物会遭受不同的逆境(如脱水、冷冻、高渗透压等),作为对这些逆境的反应,微生物会形成巧妙的保护机制来维持它们的适席性或保证能在不利条tI。r生存下来。微生物为了适应环境变化而对逆境所作出的反应,通过基冈嵌达的重建而改变其生理状态,包括分子伴侣(molecularchaperones)的合成和应激蛋白的台成,以及酶活性、蛋白质雨f膜结构状态朐改变。微生物除了合成新的蛋内质外,人多数微生物还合成低分子能共存的溶解物(如海藻糖年¨蔗糖等),这些物质能调1,渗透压,计有助J‘维持膜的完整性和蛋白质的稳定性。

2.6海藻糖保护生物分子的机制

关下海藻糖对生物分f的保护作川,人制进{丁r人域探索,提山了种种假说。目前主要有两种假说解释海藻糖稳定生物分子的机制;一种称为“水替代”假说,另一种称为“玻璃态”假说mI。

“水替代”假说认水是维持生物膜结构雨l功能完整性的一个十分重要的成分,通常情况下,膜磷脂的极性头部都有~定程度的水化,基团头部被这些分子相互隔离。当磷脂脱水时,基团头部的填充密度将增加,从而也增加了碳氡链间的范德华力.这导致存某一温度时,脱水脂类是凝胶桐,而水化脂类在同一温度是液品相。也就是说,与水化脂相比较,作为构成生物膜主要成分的磷脂酰胆碱(PC)脱水斤相转变温度Tc升高(Tc为PC的烃链由凝胶相转变为液晶相时的温度)。因此,细胞膜在一定温度下脱水时,处于液品相的磷脂酰胆碱会随着脱水的进行转变为凝胶相,从而造成磷脂酰胆碱、其它脂类和膜内蛋向质的横向相分离。在这一过程中,如果磷脂酰胆碱由液晶相转变为凝胶相的行为被阻JP,膜的损伤就可以减轻甚至消除。海藻糖抑制相转变的可能机制是干燥脱水时海藻糖取代了生物膜结构中水的位置,海藻糖的羟基和磷脂的头部基团之闻形成氢键,这些氧键替代了原有的脂和水之间的氢键,阻It了膜磷脂头部的相互靠近,从而降低了磷脂的相转变温度.稳定了生物膜的结构平¨功能f24l。Cmwe等以海藻糖对人生氏素的保护性研究支持此假说12”。Crowe等指山一些糖和一些多羟基化合物的保护特性是由丁糖结台人分子代替了水化作川的水分子,尽管这是一种理想的解释,遗憾的是,很少有赢接的证据支持它。

“玻璃态”假说如果海藻糖水溶液在室温F干燥,则溶液的粘度就会随着浓度的增加而增人,当浓度足够大且糖的结晶不会发生时,海藻糖一水混合物就会玻璃化,这时海藻糖所处的状态称为玻璃态。研究表明,单糖、双糖、多羟基化台物以及结构蛋白质、酶都能显示玻璃行为,只是玻璃化转变温度Tg不同。玻璃态物质既具有胤体的行为,义具有流体的行为,它的粘度很人,约为10”Pa-s。在这么赢粘度的流体中,即使存在固体晶核,由T-横向扩散速度极慢,短期内也不会有结晶出现。事实上,玻璃态糖能稳定存在几年。另外.由于玻璃化.高粘度使分子扩散受阻,导致玻璃态物质干燥速率变得极其缓慢,结果使其水含量增加,这对再水化有利。“玻璃态”假说认为,当干燥生物活性物质时,海藻糖紧密地包住相邻近的分子,形成一种在结构上与玻璃状的冰相似的碳水化台物

博士后工作报告酶法合成海藻培的研兜马鸯

玻璃体。由于这种j限晶体绡构的扩敬系数穰低,敞在这种结构tp分子运动霸吩子交健反应嚣嚣徽弱,能够使生物分子维持‘定的空问结构。Colaco罅发现ff{}藻糖与乍物人分子形成一种类似水品状的玻璃体结秘,葳丽在=F僚及冷冻醚可得到有效舔护,这越上建靛巍静有力薤E搀㈣。

目前,这两种假说逐不能完全解释现有实验现象,如海藻糖与葡镝糖对限制性内切酶稳定性的影蛹靛显装筹gl楚与“永饕我”瑕说不镣靛;鞠毒莩;“玻璃态”假说也管一些=_{;糍髂辣的翔艇,如藏濑下海藻糖剥生物制晶的稳定性问题。因此,海藻糖保护生物活性物质的机理,仍需深入研究。总之,海藻糖是一秘棼特搀性天然镙护剂,具商保护生物妇织、细胞剥生物火分子的佧jH,为其在食品、生命科学和睦药卫生蒋领域的麻j;I;|中展开了广阔的前景。随着对海藻稀作用机理研究的避一步深入,人们姆会发现海藻糖具有更多更火的川途。

3海藻糖的仑成及相关酶系

3.1翻臻微生物骞然套戏海藻糖

霉落、酵母期一些寞麓类郝禽商海藻糖,可班选j}{其中巅禽颦老佧为提墩源,谯一定激发r来』4j溶剂抽提出来,或}{_|高压处理等从键取源中提取出来“”6’。目前美国、捷克生产海藻糖主要是秘刚酵母,g本剩削一釉缀基艘生产菌,每公厅达200美元”。”’。唐传核””等人从活性干酵母中提取海藻糖.通过控制抽提温度、乙醇浓度黻及抽提时问,得{蟊较佳的掇教’l:芑条荇。j目瞬阳褰乎交换挂去赊杂质,同时起到一定的脱色作用。进i耐运用超滤进行澄清。最后经浓缩、结l绍以及干燥,制成海藻祷产晶,箕褥牵冒这每lOOg漭住子释撵产l《.繇海藻耱。

某些食削真麓和药用真菌包括其突变株和经遗传改造的滴株均有生产海藻糖的匿火潜力。据报道有记载盼真赫青20』L个耩33令稀““,弼奇聚藤(国‘i点ola)、蘩l茸(t;]eurotus)、寒禳拿(Lyophyllum)、香菇(LentJnvs)、蘑菇(Agaricus)、异栓汹(Coriolellus)、栓菌(Trazaeters)、革辆莲(Lenzites)、矮摆莲(Schizophyllum)、革耳(Panus)、魏耳(CrepJ如tus)、女自孔落(Laetiporus)、拟多孔菌(Polyporellus)、梭孔曲(Favolus)、l'richaptu¥、小奥底麟(国g∞∞5jgjj。)、港缝拿(燎e镕atoloms)、蠹耀菇(17hodophyllus)、糙袒莹(Gloeophyll拍e)、层孔菌(Fome#)、Canoderma、扁芝(Etfvingia)、拟层孔盛(Fomitopsis)、假撩环葡(Armillarielta)、强帮据f嘲辨船、鳞拿(PholJot,8),懿蘑(Tricholo燃spp.)等均照舞发海藻糖的笾物种子源。搦报道某贱蘑舔中海藻糖的含罱较为半错、?l戴-I:重的11~15%。鄣德军”…等A.;}IJJIJ香菇生产中的蒋辨热,破簿楚、熬埂焱蟪取蠡热多糖时综合剃删提取激、生产海藻糠,海藻糖的收率为4。3%。

朋一定的撼质培养微生物,通过微生物发酵产生海藻糖,再由培养液中精制而得。王觅在t主礤霹巅蚓驰微生物包摄酵辑、革兰氏|!}|性落,特划是徽球凿变科,等,避过采川诱变、细胞融☆缄基川重组选育产海藻糖高的倚株,然后采¨j高浓废的培养基及赢渗发酵,得到含海藻糖黼的产物。例如以正烷烃为碳辣培养:镑轩蕊属(Arthrobacte,?)的发酵生产,蚪砂糖刺葡钧糖为基质培养棒扦苗属(Corynebacterium)替氨基酸发酵微生杨的靛酵生产,醣及利用诺。舞氏菌麟(Nocardia)簿徽生铹的培养渡米制造””“。目前采用的碳源主要柯淀粉、砂糖、麦芽精以及葡鞠糖等。

3,2酶法合成海藻糖

生物台成海藻糖的酶分为磷酸化酶利非磷酸化酶两大类蔗中磷酸化合成酶主要包括海藻糖-6-磷酸合成酶(EC2.4,1.15)嚣{海藻耱.6一骥羧磷酸熬薅(EC3.1。3。12)【5~7】{海藻糖磷酸姥酶(EC2.4.1.64);海藻精酶(EC3.2.1.28):麦芽糖磷酸化酶(EC2。4.1.8)和海藻糖磷酸化酶。这些酶鼹主蛩畿秘为蘩甍赘拳}麦芽菠(~分子麦芽蘩经磷酸{乏酶馋j|{变成一分子麓楚糖黎|~分子蔼萄耱*j-

磷酸)。海藻糖磷酸化代鲥途径表明117]:葡萄糖进入胞内形成…系列磷酸化中间产物(如G.6.P、G-1-P、ADPG、UDPG、T-6?P等)而后形成海藻糖。由JJ这些磷酸化物质也是糖酵解、戊糖磷酸化、糖原分解及台成途径的中问产物,W而上述酶台成海藻糖较为复自¥,诸如l磷酸化偶联、副产物多样性以及随之带来的提取凼难,人量研究表明磷酸化酶合成海藻糖的产率波动很人(5~60%%)。到九一r年代z1。捌合成海藻糖的非磷酸化新酶被发现,使淀粉、麦芽寡糖或麦芽糖合成海藻糖的产率达到70%以上,另外相关新酶及其分子生物学的研究也取得进展””。

3.2.1海藻糖一6,磷酸合成酶和海藻糖.6.磷酸磷酸酯酶

研究表l碉p“,海藻糖在真菌和细菌,如火肠杆菌,酿酒酵母中的合成主要是通过海藻糖一6一磷酸合成酶(0tsA,trehalose?6_phosphatesysthes8se,EC24.1.15)平|l海藻精一6一磷酸磷酸酯酶(Otsg,trehalose.6一phosphalephophatase,EC3.I.3.12)旧途径。海藻糖一6一磷酸合成酶的底物专一眭强,只能以海藻糖一6一磷酸为葡萄糖基受体,UDPG,GDP—G城ADPG为葡萄糖基给体。该系统可¨=|F列反虑表示:UDP—G+G一6一P—Tre一6一P+UDP

Tre一6一P一海藻糖+无机磷酸

这种方法需要高能物质UDP参与反应,冈而在I:业生产中是不实际的。

人肠丰f菌种这2种酶(0tsA.0tsB)的基闪(ots)已被克隆l”l,它们构成了一个操纵冈子otsBA.二基因重叠23bp,并由rpoS基因编码的O”因子激活而肩动。OtsB和OtsA的分子量分别为29.1ku雨l53.6ku,它们与酵母TPS蛋白具有较多的同源性。

酵母菌中这2种酶是由3个肽链组成的复台体,相应的基冈已经被克隆13q。TPSI基因编码56ku的海藻糖.6.磷酸合酶,其参与葡萄糖调:常、海藻糖的代谢及1lOOku蛋白的折叠。TPS2基因编码lOOku的海藻糖.6.磷酸磷酸酯酶。TPS3基因编码130ku蛋白,该弧基似乎涉及复合体的聚集。3个蛋171基田都含有GAANNqTC和c。T热休克单元,这是热诱导提高酶火星的遗传基础。这3个基冈的表达均受葡萄糖的阻遏。

3.2.2麦芽糖磷酸化酶和海藻糖磷酸化酶

麦芽糖磷酸化酶(malIosephosphorylase,EC2.4.1.8)和海藻糖磷酸化酶(trebaJosephosphorylase,EC2.4.1.64)能以麦芽糖为底物合成海藻糖139‘4…。其中,麦芽糖磷酸化酶可由短乳杆菌得到,海藻糖磷酸化酶可从变异微球菌,毕赤酵母,细氏眼虫藻及Catellatosporaferrugineapl421得到。该反应可J{{|F式表示:

麦芽糖+磷酸盐一葡萄糖磷酸}葡萄糖?海藻糖,磷酸盐

该反戍最适pH为65~7.0,当反应混合物中含有低浓度磷酸时,反应速率会加快。

1998年5月,日木食品化I。公司报道,用该酶系催化麦芽糖液底物生产海藻糖水饴已商业化,该产品为含30%的海藻糖和50%的麦芽糖的液体制品”“。

3.2.3蔗糖磷酸化酶和海藻糖磷酸化酶

蔗糖磷酸化酶(sucrosephosphorylase,EC2.4.1.7)和海藻糖磷酸化酶能以蔗糖和葡萄糖为底物,合成海藻糖。其中,蔗糖磷酸化酶可由从十壤中分离山的肠膜样明串球菌属肠膜样弧种及葡聚糖Ⅱ种中提取山来14…。该反应可表示如F:

蔗糖+无机磷酸盐一葡萄糖磷酸+果糖

葡萄糖磷酸+葡萄糖一海藻糖+无机磷酸盐

3.2.4海藻糖酶

海藻糖酶(trehalaseEC3.2l28)存在丁各种生物种,从酿酒酵母.10rulasporadcJbruecl(iil”】,绿藻Lobosphaera[461及兔的肾脏中获得。但是这种方法的产率极低,只有5%左☆。从酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)中曾经获得2种海藻糖酶【x】,中性海藻糖酶(存在]:胞质中)承f酸性海藻糖酶(存在于空泡中)。前者可被cAMP辅助的磷酸化而激活,最适pH为7.0,屙者为45。

海藻精酶是水解酶,水解海藻糖为2个分子的葡摘糖,同样海藻糖酶可以通过逆反应,将两分子葡萄糖缩合成海藻糖。从不同来源(酵母菌、人肠杆菌、兔小肠)的海藻糖酶顺序比较可以看山,兔小肠海藻糖酶的动力学实验平¨抑制实验表明,在该酶的不同区域。存在3个不周活性部位基团,其中位丁第二个结构域的ttis可能涉及催化反映。

中性海藻糖酶的基冈(NTHl)已经被克隆,在肽链的N端取存在2个可能的磷酸化何点:Ar917ArgLysSer20(ser20被磷酸化)和Arg”’ArgGlySm”(ser”被磷酸化),麸磷酸化参’j调1I细胞千¨应不同环境r的海藻糖浓度。

3.2.5麦芽寡糖基海藻糖合酶与麦芽寡糖基海藻糖海藻糖水解酶

由”协杆菌(Artllobactersp)Q36及硫化It}_菌(Sulfolobusacidocaldarius)ATCC33909纯化的2种新酶被研究者命名为麦芽寡糖基海藻糖合成酶(maltooligosyltrehalosesynthase,MTSase)”““‘平u麦芽寡糖基海藻糖水解酶(maltooligosyltrehalosetrehalohyrolase,MTHase)”’”J,这2种酶联台作Hj_r不同DE值(DE≥3)的麦芽寡糖或袁链淀粉1F磷酸化合成海藻糖,缚次从麦芽寡糖生成少两个葡萄糖单位的麦芽寡糖及海藻糖。其中MTSase作用丁底物还原性末端的C1-OH,产生a-1,4糖苷键到a,a.1,1糖茁键的分子I匈转糖基作用(inlralnolecularlransgIycosyI“on),形成中间产物麦芽寡糖基海藻糖,该酶表现出高度的配向性和专一性,但有数据表明由Sulfolobusacidocaldarius)ATCC33909提纯的MTSase对a.1,4糖苜键也有轻微的水解作用【5”。MTHase则专一地内切该中间产物中麦芽寡锴基与海藻糖相连的a.1,4糖苻键,使之断裂产生海藻糖和减少两个葡萄糖单位的麦芽寡糖,酶对麦芽五糖、蔗糖、乳糖、海藻精、可溶性淀粉、纤维素、支链淀粉、糊精、果聚精、菊粉罅无活,。肾氏时间的保温才对麦芽五糖和可溶性淀粉卉轻微的水解”“,表明其具器很强号一性。M’FSase与MTHase构成酶系的反应机理见图卜7。

0:蕾■糖瘦基

一t4-1.●蕾一鼍督■@t蕾鞠-残基妊氰壤。:_.?-I。I毫■■学■

图卜7MTSase和MTHase作用-t-'淀粉合成海藻糖的简图

FigI-7SynthesisofTrehalosefromStarchby

MTSaseandMthase

该酶系也可催化直链淀粉生成海藻糖,且反应不需磷酸盐共存。以淀粉为原料使得成本人_人降

博士后工作衄告酶法夸或I;蘩藻艟袖研究马薷

低,在赫本,这项酶究融谈瘴翊于,t攮{乞生产海藻藏巾15“。{筮楚在:l:监性静生产毫,还霈《0台其它的淀粉水解酶:a一淀粉酶.异淀粉酶,葡萄糟茴转移酶CGTase,葡萄糖淀粉酶,遮样海藻糖的转纯率霹选85%毅L。

除节杆曲外,在徽黄短杆黼,根瘸菌,水生黄杆酾等多株细菌中都发现了这两种酶的存在。而毯。,存在于嚣攒蓝拳l攫瘸筵中嬲MTSase蟊MTHase豹基测基分划在太题杼蘑中兜隆零”擎捌分据1s2-56}。

磊本嬲{麟嚏淫公司赢j{J开发中心从瀑采中分裹褥剿一乖|,占纲越,巯矿硫化}}|赫KMl,也毙以淀粉为原料生产海藻糖,以此进行的基冈克隆也已获成功‘5。“。『1i细黼中存程的酶系‘』来源丁1,秆国的MTSase年¨MTHase作蝈原理极为摺似,同耐由于该酶系采源予瞎热菌,嘲而有赣良好的耐热性,在75~85℃保渝6hrs仍保留90%以上的酶活力。当戳经曾鲁兰淀粉酶作用厮的淀粉为底鞠时,海藻翘}纳产率达81.5%。

3.2.6海藻糖台酶

海藻耱台成酶为一摹孛变穰瓣(muiase)荠彝鸯轻徽麓承解嚣挂,滚酶对麦势糖和海藻耱豹K。毽受黼度影响很火,过高的反廊温度使逆向反应(澎芽糖方向)速度增火,导致海藻糖产率降低。另外该酶氇可缆{皂蔗糖羲嗨蒺酮糖之阕豹转诧。

(1)海藻糖台酶的分布

海藻糖台酶(t}eb8iosesy“th8se)是近肇采藜捩发现麓~穆酶,它麓姆勰魏麦劳糖赢接转化为海藻糖。就目前的文献报道来祷,海藻糖台酶主要存^在于微生物细胞内。檄据1995年NishimotoT等人的报道l…,她{}】盔峦土壤中分裹褥到弱250多个微生物薅株中发现了多拣具有转化麦努糖生成海藻糖活力的甜株。主瓣有脂肪杆菌R48,恶奥假单胞轩菌H262,水生栖热菌ATCC33923,ATCC25t05,ATCC27634,丝状援热越ATCC43280蛰。其巾灏:i砷隐中的酶涵力最高。

同n寸,在海藻糖台酶的研究中,liJf_究人员也返川了基因重组技术。1996年,日术的TsusakiK簿入报道,拯海藻穰台酶的基因导八人肠抒菇震,褥到了赢效袭达产物,实验证明这种基周蓬组酶{_I勺性质稳滋甚至好于原供体细胞中的海藻糖酶_’”l。

(2)海藻耱台薅姻特蛙

海藻糖合酶能够特异性的催化麦芽糖转化为海藻糖,该酶是一种分子内葡糖前转移酶,即将安茅糖熬n.1,4猿蛰键转化为a.1,I糖营键。在夏癍避程中,不露黉育磷酸盐共存。海藻糠台酶的底物专~性强.只作_Iljf麦芽糖生成海藻糖及使海藻糖生成囊芽糖,且前蒲反应速发明显火丁币糟p}删。

海藻糖合酶具有徽弱的水解作用.使海藻糖或麦芽糖生成少量的葡萄糖。另外,据KubotaM.等A摄遂,来囊水生牺热菠ATCC3392的海藻耱台酶丐以催化蔗糖生成Trehalulose,颟且蔗糖会完全抑制海藻糖合酶催亿分子内转葡萄精营的活力,冈此麦芽糖,海藻糖,蔗耩可能与海藻糖含酶分子一LIN--个活性暖域相继台【6’I。

研究发现不同来源的海藻糖台酶诅i~级结构上有着相似之处。其氯基酸顺序为:np.x1.Arg-X2.Ata-X3,Phe,(其中xl为Phe或Pro,X2为Thr或Pro,X3为val或Ala),或是Ala-Vat.X4.Tyr(X4为Phe或lie)¨…。

综台文献搬邀中对纯化海藻糖台酶的特性研究,硎]二表1-2中。

些圭量兰竺兰兰登兰尘垒兰兰兰竺茎叁;=;:=:!兰:

表卜2海藻糖合酶的特性

Tablel—2Char&cteristicoftrehalOSOsynthase

来锅[最适温度(。C)佟稳定性(。C]最适pN口H稳定性分子量等电点抑制荆澈祸荆引HJ文献月R聃扑蔺<307560.9062,00046z—TrisCu“H92+srDTTBflMn245水‘I二椭热闻65<8065t05,00043cu—t192‘IrisFel+

甚臭很单胞杆菌40-506o_100j0_IlO40.000-?80,ooo,凸60Zn2iNil*ca”cal+49,50

基因重组酶I<8060-6755-95

攮圳重组酶¨57000—67抛0041.5I

注:箍吲再纽酶I:克降水生柄热菌海藻糖台酶

箍陆l重ll上酶l|:克晦脂肪杆菌海藻糖台fi|覃

(3)应用海藻糖台酶生产海藻糖

跃期以来,由于海藻糖制职上存1生的凼难使海藻糖的价格昂贵,限制了它的应刖。随着应JLf』微生物酶台成海藻糖这一课题的深入研究,人们陆续发现了JL条适于工业生产海藻糖的微生物酶途径。N,u4海藻糖合酶以麦芽糖为原料生产海藻糖就是一条极有一L业化前景的重要途径。由于麦芽糖可以通过淀粉水解得到,因而使原料成本犬为降低。而且利心麦芽糖转化海藻糖,仅需一步反麻,.L岂简单,易于调控。现将海藻糖台酶与麦芽糖磷酸化酶及海藻糖磷酸化酶两条催化麦芽糖生成海藻糖的过程作对比.如图l,8所示。同时研究表明,海藻糖的产率不受底物浓度的影响。如将这一简单有效的反应与生化反应器结合.这将适于大量生产海藻糖。

图1.8麦芽糖为底物酶法合成成海藻糖的途径

Fig.1-8SynthesisofTrehalosefrommaRosebyEnzyme

据TsusakiK.和Kubotam.等人报道165-691,将提纯的基冈重组酶II与50%(w/w)的麦芽糖溶液

博士后工谁报告酶珐合成海藻糖曲耕竞马鸯

热同保温,州可以产生50%(wAy)海藻糖;将基因羹组酶I与50%(w/w)麦芽糖溶液一嗣傈温,海藻糖产率可达80%(w/w);使H』从脂肪杆菌戏水生牺热菌中分离纯化的海藻糖合酶,其产率也都稿i8溉左右。总的来说,承生旗热蔼鹃海藻禧台酶静热稳定健辩,衣翻予酶的保存。{ll;釜在较高瓣溉度F反应可肪}f:杂菌污染,更适合I:业生产。以麦芽糖为底物由海藻糖台酶合成海藻糖的途径见溅i一8。

4海藻糖的陂用

4,1食品方面

在食黼顿城,琥正瓢海藻糖最宥靛l}还孤犍、保温经、抗豫缡性幂l澍子瀑梭。趣联魏沫及齄器来源等功能与特性方面进行多种刚途的于1:发研究。例如。用作禽有卵等的蛋向质食品在干燥或冻结时沟变性爨l{j舞鼙。海藻辕本羹袋与其穗舔嗉裁毒l;l滋龠{{_{1‘调眯料中,以增姻糕昧,或捌捧,裂嗾教匙荆,品质改良荆。配合谯预制粉、粉米酱油、粉末果汁中可以防止粘着、结块【l“3”。表2列出了.海藻耱癍耀予食黻翔一[的,L条途径。

表卜3海藻糖在食品中的庶用

'lhbleI-3ApplicationofTrebaloseinFoodManufacture

应用性质举例

诋纛鼹糖米点心、耱荣、珏孬糖、巧悫力、冰淇游等

热酸稳定性疆酱、茶饮料、果汁饮料、非油炸方便食晶簿

抗淀耪老化糯米点心、露簸尊

蚩向抗变性剂照制,礼肉制一铺、蛋制t‰乳制r铺年¨掰条锋

坻吸漫性无油蛋糕、甜饼、火腿等

低蟹色一陛冰淇淋、调味料、咖啡阳糖等

口感改良荆凝鲜蔬菜等

试验证明,瑚海藻糖干燥巢泥,炒鸡蛋,经复永衙仍保持着原裔的色香味与废遮。这样就延&”r食品妁赁架期峨

1998年.蜡本林藤生化研究所审请了使厢海藻稿的稚油炸俊餐食晶锈逡方法静专苯J,公开了食品原料芹”加.I:食品在以海藻糖为主成分的糠液中加热、脱水的方法…。

海藻稽在食黼方爵豹麻臻,将会国予英徐樯静一F辫和豁徽到大鬃供瘫焉越来越j“泛。

4.2在爱物桶灏孛静应用

撬彀清抗髂在海藻糖存在辩,37℃F空气干燥最予室滠’F贮存,3d赢生甥涎矬不发=!妻明显变化川。在对DNA6良制性内切酶n勺稳定性和保护件川研究中,当EcorI.BRIII,PstI,HindlII等在禽海藻耱弱缓;孛滚中,予37℃避羝于燥,结果予蠊后的酪,在7e℃缳莓35d艨,仍戆糕确切断DNA。Hj海藻糖干燥抗体、血小板、酶、病毒等生物活性物质.无需冷冻保存,待复永后均日g恢复活力”。“|.妇英晷盘|辑Quadrant公司帮擞舞卫生组织将合作,剥用海藻糖干燥小儿疵甥疫苗,以解决从产地到第三做弊一些融家酝埝运输中的冷冻问题,搦统计,仪此一项即可省下数爵万美元的冷箍系统费糟谯蛙婪上,海藻糖已被秘裂在试剂和诊断药的稳定化铃方面。

现正从海藻糖具有的非还原性、稳定优随的舌韩睬、能鼙米源等功能和特性上积极探索海藻耱麓髯种剐途。例如:应用在移植用脏器的保存液中。或者用于某些生理活性物质。蜘激素、疫苗、维生紊、酶等。蠛包含这类物质的医药赫,傈键食品等的品矮馥矗帮、稳定翱簿。海藻耱静禁些锈室

博士后工作报告辞珐合成海藻糖的研究-5鸯

物还j=lj作制癌荆雨I抗肿瘤药物。

以往,对海藻糖的应儿j研究多集中在离体条什F。而日本林原生化研究所最近的一项研究表明,以摘除了卵巢的骨质疏松症鼠作模型,发现1:3服海藻糖可改善骨质疏松症。这一发现将会开辟海藻糖在医药应用领域的新川途,极人地拓宽海藻糖的麻』4j市场。

43化妆品方面

由]i海藻糖具有保湿性,它的硫酸衍生物和脂肪酸衍生物可以作为制造新化妆^^的原料。例如:添加到洗液或奶液中,以抑制皮肤干燥,提高皮肤水份和保湿性。或者在门红、口中甜味剂等的符种组成物中做甜味剂、呈味改良剂、品质改良剂稳定剂。

4.4农业领域

通过生物技术构建含海藻糖的转基冈植物.为培养抗早转基因植物开辟了新的选径。含海藻糖转基因植物的建成不仅提高作物的抗旱能力及抗冻一陛,而且使作物在收获加i『:后保持新鲜,更具风味。

可以预见,抗早植物的建成及其发展将有可能为抵抗早灾、冻灾及改造沙漠、绿化荒早地做…重人贡献。海藻糖既有优质甜味及供能的作J{;I,义具有保湿、抗冻、耐干燥及非还原性的重要生理功能,符合食黼添加剂“天然”、“营养”、“多功能”的发展方向,使其在食品、医药、化妆品领域有着广泛的应用前景。

5研究内容及展望

i4I;I澡糖作为?种特异性的生物保护剂有其广‘阔的应州前艇。以淀粉、麦芽糖等常见的碳源为底物,戍J¨酶投术合成海藻辘圩,魁降低海藻{l!_f的成木,扩人臆JJJ范嗣的展佳方法。本研究以淀粉平¨麦芽糖为底物,经过人帑实验筛选…两株适寅的海藻赫龠酶,"剥其产酶特性进行了详细的研究。卜要{l川=究内窬为:

("适宜麦芽糖为底物的透性化细胞海藻糖台酶的研究

①筛选出产海藻槠台酶的曲株

⑦确定产酶菌株的最佳培养,毖0最佳端莽条什

③渗透细胞获得透性化海藻祧合酶的办‘法‘“。艺的研究

④透性化鲜¨胞海藻糖台酶特性的研究

⑤利用麦芽糖制取海藻糖反应工艺的优化

(2)适宜淀粉为底物的海藻精合酶的研究

①商产凶株的筛选、西变及『{辞的捉取

②高产菌株培养条件的优化

③MTSase和MTHasc的酶学特性研究

④以淀粉为底物酶法合成海藻糖的丁:艺研究

:堡圭兰三矍苎叁=

;;

璧曼垒垒苎篓兰竺兰塞

:;;兰耋

参考文献

尤新主编,淀粉糖品生产与成用手册,1997,

Toshiyuki

Sugimoto,et

at,Production

ofNogeikagakuKaishi

1998,72(8):915-922

中国轻一r:业山版社,295~311

trebatosefrom

starch

with

novel

enznles,Nippon

张晶莓,海藻糖毒性研究,微生物免矬学避艘.2000,28(2):54*56

尤新主编。功能性发酵食品。1999.中国轻■。韭出敝社,89~99

求祺.海藻糖对面包酵母耐贮力的影响,无锅轻1:火学学报,1997,16(3):32—36

LeslieS.B.,eta1.,TrehaloseandSucroseProtectBothMembemncesandProteinsinIntactBacteria

duringDrying,Appl.Environ.Microbi01.,1995,61(10),3592~3597

RoserB.Trehalosedrying—anovelreplacementf。ffreeze

drying.Biopharrn,1991,4(8):47—53。

ColacoC.FoodpackagingandpresetwationLondon:AppliedSciencePublishersL,rD,1994,123*139

姚汝』聱,海藻糖及其感搦翦最.jh列食蛸1l:她戮接,1995,1I(4):29-31

BeattieGM.,CroweJ.H.,etal,Trehalose:acryprotectantthatenhancesreooveryandpreservesftInotionofhumanpancreaticisletsaftertong-termstorage。Diabetes,1997,46(3):519Hoelzle

1.,et

a1..Increased

accumulation

oftrehalose

inrhinzobiaculturedunder

1%

oxygen.Appl.Environ.Microbi01.1990,56:3213-3215

封德顺.海藻糖的生物学功能篱奔.生物学避撤,1999,34(2):13~14

刘传斌,云战友,冯朴荪,苗蔚荣.海藻糖在生物制品活性保护中的应用前景.中国医药。I:业永

志,t998,29(7):327--330

王三根.海藻糖提高绵羊红15号小麦幼苗耐盐能力的研究.西南农业大学学报,1992,14(2):182~

{85

¨匝华,于窳山.海藻糖在槭物抗性为‘面的研究进展.山尔师人学报,2000-15(4):447-449羹炎。海藻糖怼冷冻拳|干澡嚣绿烂幼整M92+,K+.ATPase涯性爨lTTC还原的影响,

植物学报,l

994,3

6(增):211~2I

聂凌鸿,。尹斑祥。海藻糖豹生物操护纷蜊,生翕的{七学,2001,21(3):206—209Lewis。.J.G;Learmonth,.R.P.;Watson,.K.Induction

ofheat,freezingandsalttolerancebyheatandsalt

shockinSaccharomyces,cerevisiae。SocietyforGeneralMicrobiology,1995,

14l:

687—694,

Serrano.R:Culianz.Macla-PA;GeneticEngineeringofsaltanddroughttolerancewithyeastregulatorygenes.Scientia-Horticulturae.1999.78(14):

261—269.

LaereA.V。Trehalose.reserveand/ofstressmetabolite.Microbi01.Rev.,1989,63:201—210

LeslieS.B,,eta1.,TrehaloseandSucroseProtectBothMembemncesandProteinsinIntactBacteria

duringDrying,Appl.Environ.Microbi01.,1995,6t(10),3592—3597

李皓明,高监,海藻糖在生物制品干燥与保存中的廊川研究,食晶与发酵]:业,1994,4,49~s1

黄平,奇势辩双耱——海藻糖,生命静纯攀,1995,15(4),26~28

RoweJ.eta1.,Stabilizationofdryphosphorlipidbiolayerandproteinsbysugers.Biochem.J,,1987,24

<2):l

邪刊,红.海藻糖列酵母的胁地保护』j指示仲件j,广+州食t协『.、№利披,2000,16(4):78?79变戈峰等。食瑟≮发酵■.韭.I999,25(5):15-18

Crown.JohnH.eta1.Preservationofmembranesinanhydrobioticorganisms:theroleoftrehalose,

Science,1986,223:701-703

Colacoc.Foodpackingandpreservation.London:AppliedSciencePublishersLTD,1994

葛文光等,海藻糖提取:I:艺的研究,食乩科学,1998t

19(5),21~24

L置

王啦i龟

一乳争m儿

沌n㈧㈨溉强㈨汾

撕引

龆嚣孔

箱矩胛

艚勰

相关主题
文本预览
相关文档 最新文档